Охлаждение электродвигателя: вода или масло?

На вопрос, что лучше для двигателя электромобиля - охлаждение водой/гликолем или маслом, - нет однозначного ответа: вода более эффективный охладитель, но из-за электропроводности не может касаться двигателя; масло же, будучи физически более слабой рабочей жидкостью, способно проникать туда, где зарождается тепло, и на практике обеспечивает более холодные двигатели. Поэтому современные силовые установки всё больше смещаются в сторону масла, полностью не отказываясь от контура вода/гликоль. В этой статье мы сравниваем принципы работы двух стратегий, их числовые различия и проектные решения.

Почему вода/гликоль - лучший охладитель, но худший сосед?

С точки зрения теплопереноса у воды почти нет конкурентов. Её удельная теплоёмкость и теплопроводность заметно выше, чем у масла; то есть одно и то же количество протекающей воды уносит больше тепла и быстрее. Добавление этиленгликоля в смесь регулирует точку замерзания и коррозионное поведение, не меняя основных тепловых характеристик жидкости.

Проблема - в фундаментальной несовместимости воды с миром электроники: смесь с гликолем электропроводна. Везде, где она касается поверхностей обмоток, разъёмов или силовой электроники, возникает риск короткого замыкания и электролитической коррозии. Поэтому вода/гликоль в силовом агрегате может использоваться только в зонах, отделённых металлической стенкой от электрических компонентов. На практике этой границей служит водяная рубашка, окружающая статор снаружи.

Как работает водяная рубашка и где начинается её предел?

Водяная рубашка концептуально похожа на водяные каналы классического двигателя внутреннего сгорания: смесь гликоля и воды циркулирует в замкнутой полости корпуса, окружающей внешнюю поверхность пакета статора, и переносит тепло к внешнему радиатору. Таким образом, тепло, выделяемое медными обмотками, сначала передаётся по пластинам статора к внешней поверхности, а затем переходит в жидкость. Система надёжна, электрически безопасна и недорога.

Её слабое место - геометрия. Ротор отделён от статора воздушным зазором и не контактирует с жидкостью вовсе; ротор и находящиеся на нём постоянные магниты охлаждаются в основном через воздушный зазор и вал, то есть путём теплопередачи и неэффективно. В термических simulations ротор и магниты выявляются как самая критическая температурная точка систем вода/гликоль. Температура двигателя при высокой нагрузке может превышать 200 °C; это ведёт к частичному размагничиванию постоянных магнитов, ускоренному старению изоляции и снижению постоянной мощности.

Инженеры иногда креативно растягивают этот предел. Audi применила решение, направленное непосредственно на ротор, добавив водяной канал, проходящий через центр ротора, рядом с водяной рубашкой; однако такой дизайн является исключением, а правило состоит в том, что вода не должна попадать в электрические зоны.

Распыление масла: охлаждение в месте зарождения тепла

Физическое преимущество масла можно свести к одному слову: диэлектрик. Изолирующее масло может непосредственно контактировать с обмотками, ротором и магнитами, а также выполняет функцию смазки. Тепло передаётся жидкости не в конце цепочки проводников, а в точке своего возникновения. Это одно отличие сокращает всю цепочку теплового сопротивления.

Числовая разница впечатляет. В сравнительном моделировании TotalEnergies и EnginSoft конфигурация с прямым масляным охлаждением обеспечивает преимущество в средней температуре 10 °C, а в температуре обмоток - минимум 14 °C причём в условиях сравнения, когда расход масла поддерживался низким. В сценарии обгона на высоких оборотах, около 10 000 об/мин, разница достигает 40 °C . Независимое академическое исследование показывает то же направление: при движении по автостраде температура двигателя с прямым охлаждением остаётся примерно на 30 °C ниже, чем у двигателя с водяной рубашкой, и это напрямую отражается на максимальном крутящем моменте и мощности.

Как масло подаётся внутрь двигателя?

Для охлаждения лобовых частей обмоток существует несколько зрелых методов:

• Капельное охлаждение через коллектор: Охлаждающая жидкость точно и равномерно подаётся каплями на лобовые части обмоток; требует меньше масла по сравнению с масляной ванной ротора.
• Распыление под давлением: Масло, нагнетаемое насосом, распыляется непосредственно на лобовые части обмоток, обеспечивая охлаждение при прямом ударе.
• Распыление на ротор через полый вал: Масло входит с одной стороны вала и распределяется благодаря вращающейся конструкции; это распространённое решение для PMSM с обмотками hairpin.
• Охлаждение ротора аксиальными каналами: Аксиальные каналы внутри ротора подносят масло к горячим точкам вблизи лобовых частей обмоток.

Центробежная сила от ротора облегчает задачу: вращающиеся части действуют как вспомогательный насос, распределяя масло по обмоткам и сердечнику. В гибридной архитектуре вклад распыления масла в общую охлаждающую способность составляет около 80% - остальное по большей части является работой водяной стороны.

Как тип двигателя меняет тепловую нагрузку: PMSM и асинхронный

Стратегия охлаждения начинается с разной постановки задачи в зависимости от типа двигателя. В синхронном двигателе с постоянными магнитами (PMSM) магнитное поле ротора создаётся не индукцией, а магнитами, встроенными в ротор; потери ротора очень малы, что упрощает тепловое управление. Обратная сторона - чувствительность магнитов к температуре: ротор является самой уязвимой тепловой зоной системы, и риск размагничивания определяет температурные пределы конструкции.

В асинхронном двигателе ток в роторе индуцируется, поэтому потери в роторе конструктивно выше, а КПД ниже, чем у PMSM. Зато у такого двигателя нет риска размагничивания магнитов; тепловые границы управляются более свободно. Именно в этом заключается инженерная логика выбора некоторыми производителями эффективного PMSM для передней оси и более термостойкого асинхронного двигателя для задней: каждый двигатель охлаждается в соответствии со своим тепловым характером.

Это тепловое различие определяет и выбор рабочей жидкости. В каждом двигателе, где ротор и магниты подвержены риску нагрева, возрастает ценность масла, способного проникать в зоны, недоступные водяной рубашке. Достижение масляным охлаждением двигателей 50% доли на рынке электромобилей в первой половине 2022 года - конкретный результат этой тенденции; ожидается дальнейший рост рыночной доли, однако прогнозируется, что двигатели исключительно с водяной рубашкой также сохранят значительное место.

Как работает охлаждающая пластина в инверторе?

Самый чувствительный к нагреву компонент силовой цепи - не двигатель, а инвертор. Кремниевые ключи IGBT или SiC MOSFET внутри него выделяют тепло при каждом переключении ампера, а температурный бюджет полупроводников очень узок. Поэтому модули инвертора почти всегда охлаждаются пластинами, заполненными водой/гликолем.

Принцип основан на теплопроводности: силовые полупроводники крепятся непосредственно к охлаждающей пластине (термопаста используется для снижения контактного сопротивления), тепло передаётся на пластину путём теплопроводности, а жидкость, протекающая по каналам внутри пластины, забирает это тепло и переносит его насосом к удалённому теплообменнику. Поскольку жидкость переносит тепло гораздо быстрее воздуха, в компактной силовой электронике это практически единственный вариант. Разработка охлаждающих пластин для модулей IGBT остаётся ключевым вопросом повышения производительности инвертора.

Почему же инвертор не охлаждают непосредственно маслом? Ответ снова в вопросе проводимости и сложности схемы: исследования ведутся - консорциумные проекты, ставящие целью охлаждение двигателя и инвертора одной жидкостью (такие как SingleOilCnL с участием Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens и Flanders Make) выглядят перспективно - однако ожидается, что в ближайшем будущем это не станет доминирующей стратегией. Сегодня типичная архитектура гибридная: диэлектрическое масло охлаждает ротор и статор и передаёт тепло в контур вода/гликоль через теплообменник; гликоль же питает пластину инвертора и радиатор.

Почему разница между пиковой и постоянной мощностью зависит от системы охлаждения?

Значение кВт в брошюре - это пиковая мощность: максимальная кратковременная отдача двигателя. Постоянная мощность - это мощность, которую двигатель может поддерживать неограниченное время без перегрева, и единственное, что определяет разрыв между ними, - это термоменеджмент. Система охлаждения выполняет роль теплового буфера: чем лучше она охлаждает, тем дольше сохраняется пиковая мощность и тем выше уровень постоянной.

Конкретизируем. Данные двух тяжёлых коммерческих двигателей с похожими внешними размерами наглядно показывают разницу:

При моторе с водяным охлаждением на затяжном подъёме температура обмотки может превысить предел примерно за минуту; система снижает крутящий момент (термическое ограничение момента), и при необходимости автомобиль вынужден уменьшать мощность. Масляное охлаждение повышает постоянную производительность, поскольку устраняет лишние термические сопротивления: на подъёме длиной 10 километров с уклоном 4% мотор с масляным охлаждением сохраняет примерно на 20% более высокую постоянную мощность и на 37,5% более высокий постоянный крутящий момент Эта разница достаточна, чтобы изменить решение о покупке - не для междугородних поездов, а для тех, кто эксплуатирует грузовики или тяжёлый коммерческий транспорт, где длинные подъёмы и высокая средняя скорость являются реальностью.

Эффективное охлаждение даёт и косвенную выгоду: при том же тепловом бюджете можно спроектировать более компактный и более мощный мотор, что означает экономию веса и стоимости.

Какой вариант предпочесть в какой ситуации?

Таблица обобщает сильные и слабые стороны обоих подходов:

Выбор на самом деле вопрос не конкуренции, а оптимизации. Жидкостное и масляное охлаждение следует рассматривать не как альтернативы друг другу, а как разные ответы для разных режимов работы: при низких и средних нагрузках, когда приоритетом являются стоимость и простота, водяная рубашка в большинстве случаев достаточна. В применениях, требующих длительных подъёмов, высоких средних скоростей и высоких оборотов, преимущество прямого масляного охлаждения становится очевидным. Более того, в агрегате с масляным охлаждением контур вода/гликоль обычно всё же присутствует - именно этот контур отводит тепло, поглощённое маслом, в атмосферу и питает пластину инвертора.

Кроме того, тенденция к интеграции усиливает позиции масла: по мере объединения двигателя и трансмиссии в единый блок решение задач смазки и охлаждения двигателя одной жидкостью становится практической необходимостью. В разработке формул жидкостей термоменеджмент признаётся главным критерием проектирования наряду со смазочными свойствами.

Итог: сравнение не жидкостей, а компоновки

Правильный способ читать это сравнение - не искать победителя, а правильно расставить термины по местам. Вода на бумаге лучший хладагент; масло на практике находится в лучшем положении - потому что это единственная жидкость, способная проникнуть туда, где рождается тепло. Разница температур в среднем 10 °C, превышающая 14 °C в обмотках и поднимающаяся до 40 °C на высоких оборотах, - результат не физического, а контактного преимущества. В следующем поколении агрегатов контур вода/гликоль ещё некоторое время останется, но доля масла рядом с источником тепла продолжит расти. Выбирая двигатель, смотрите не на пиковую мощность из брошюры, а на постоянную мощность и на архитектуру охлаждения, которая её обеспечивает: там и скрыта реальная производительность.

Источники

• Сравнение распространённых концепций охлаждения тяговых электродвигателей
• Переход на масло в термоменеджменте электромобилей
• Сравнение методов охлаждения электродвигателей
• Как выбрать правильный электродвигатель для грузовика: масляное охлаждение против водяного
• Исследование охлаждения высокооборотного электродвигателя распылением масла
• Термоменеджмент в электромобилях | Технология охлаждения электродвигателя
• Гибридная стратегия масляного охлаждения для термоменеджмента электродвигателей
• Оптимизация конструкции вращающегося масляно-распылительного охлаждения
• Обзор конструктивного design прямого масляного охлаждения
• Впрыск масла в ротор, лобовые части обмотки с hairpin-проводами
• Охлаждение и динамические характеристики двигателей электромобилей
• Асинхронные двигатели против двигателей с постоянными магнитами | КПД и крутящий момент
• Сравнительный анализ тепловых характеристик асинхронного двигателя и PMSM
• Системы охлаждения на холодных пластинах: проектирование, оптимизация
• Продвинутое охлаждение силовой электроники
• Системы масляного охлаждения тяговых двигателей электромобилей
• Хотя электромобилям не нужен нефтепродукты, их двигателям всё равно требуется масло
• Проблема нагрева электродвигателя и масляное охлаждение